轻量化多自由度金属沉积增材装置
阅读说明：本技术 轻量化多自由度金属沉积增材装置 (Light-weight multi-degree-of-freedom metal deposition material increase device ) 是由 赵凯 杜洋 郝云波 齐超琪 邓文敬 朱忠良 杨萍 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了激光增材制造技术领域的一种轻量化多自由度金属沉积增材装置,包括运动机构、底板、激光加工机构,运动机构包括立柱、Y轴横梁以及X轴横梁,Y轴横梁沿Z轴方向移动设置在相邻立柱之间；X轴横梁沿Y轴方向移动设置在相互平行的Y轴横梁之间,X轴横梁上设有滑台；激光加工机构包括Z轴旋转组件、Y轴旋转组件以及送粉头,Z轴旋转组件设置在滑台下方,Y轴旋转组件绕Z轴方向周向旋转设置；送粉头绕Y轴方向周向旋转设置在Y轴旋转组件的端部,激光加工机构中设有将激光折射至工作台的反射镜,送粉头配合底板上的工作台转动设置。本发明使得激光加工组件同方向多轴同步进给运动,缩短运动传动链,增大可成形范围。(The invention provides a light-weight multi-degree-of-freedom metal deposition material increase device in the technical field of laser material increase manufacturing, which comprises a movement mechanism, a bottom plate and a laser processing mechanism, wherein the movement mechanism comprises stand columns, a Y-axis beam and an X-axis beam, and the Y-axis beam is movably arranged between the adjacent stand columns along the Z-axis direction; the X-axis cross beam is movably arranged between the mutually parallel Y-axis cross beams along the Y-axis direction, and a sliding table is arranged on the X-axis cross beam; the laser processing mechanism comprises a Z-axis rotating assembly, a Y-axis rotating assembly and a powder feeding head, the Z-axis rotating assembly is arranged below the sliding table, and the Y-axis rotating assembly is arranged in a circumferential rotating mode around the Z-axis direction; the powder feeding head is circumferentially and rotatably arranged at the end part of the Y-axis rotating assembly in the Y-axis direction, a reflector for refracting laser to the workbench is arranged in the laser processing mechanism, and the powder feeding head is matched with the workbench on the bottom plate to rotate. The invention enables the laser processing assembly to synchronously feed in the same direction and multiple shafts, shortens the motion transmission chain and enlarges the shapeable range.)
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体地，涉及一种轻量化多自由度金属沉积增材装置。
背景技术
激光熔覆技术(Laser Cladding)是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的熔覆层，可以进行大型复杂金属构件高精度直接制造、修复及熔覆，显著提高制造效率与加工精度，有效克服传统工艺复杂结构件制造困难、材料浪费严重及工艺复杂等弊端，并能优化产品设计，改善产品性能，缩短高端产品的开发周期。
目前国内激光熔覆成形设备，使用的运动承载结构多为悬臂式或传统龙门结构，其中悬臂式结构存在整体笨重导致占用空间体积大，造成气氛循环时间长成本偏高的特点；而传统龙门结构如双定柱单动梁式龙门，往往需要工作台做前后运动才能配合完成零件成形；同时目前使用的运动承载结构自由度偏低，不能保证加工头与成形件顺利进行三维空间复杂曲线轨迹协同运动，造成复杂曲面零件难以成形。
经现有技术检索发现，中国发明专利公告号为CN109306486A，公开了一种激光熔覆金属表面强化及增材制造的装置，六轴机械手臂总成通过内六角螺栓联结在横梁上，激光器夹紧装置把激光器总成固定在横梁上，激光控制器和激光器总成通过光纤连接。激光器发射端与夹紧装置连接，出粉装置通过软管和合金粉末出口连接，合金粉末出口通过支架固定在支座上，支座焊接在第二竖梁上。惰性气体装置通过橡胶软管和惰性气体喷射口连接，惰性气体喷射口通过支架用内六角螺栓固定在支座上，支座焊接在第一竖梁上。该专利技术就存在上述相关问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种轻量化多自由度金属沉积增材装置。
根据本发明提供的一种轻量化多自由度金属沉积增材装置，包括运动机构、底板以及激光加工机构；
所述运动机构包括立柱、Y轴横梁以及X轴横梁，多根所述立柱固定设置在所述底板上，所述Y轴横梁沿Z轴方向移动设置在相邻所述立柱之间；
所述X轴横梁沿Y轴方向移动设置在相互平行的所述Y轴横梁之间，所述X轴横梁上沿X轴方向滑动设置有滑台；
所述激光加工机构包括Z轴旋转组件、Y轴旋转组件以及送粉头，所述Z轴旋转组件一端设置在所述滑台下方，且所述Z轴旋转组件另一端带动所述Y轴旋转组件绕Z轴方向周向旋转设置；
所述送粉头绕Y轴方向周向旋转设置在所述Y轴旋转组件的端部，所述Z轴旋转组件和所述Y轴旋转组件中设有将激光折射至所述工作台的反射镜；
所述底板上转动设置工作台，所述送粉头配合所述工作台转动设置。
一些实施方式中，所述运动机构采用动梁定柱龙门式运动机构结构设置，所述底板上垂直固定有四根所述立柱，四根所述立柱相互平行设置在所述底板的四个顶角上，所述Y轴横梁设有两根，两根所述Y轴横梁相互平行设置在相邻设置的所述立柱之间。
一些实施方式中，所述立柱上设有线性模组，所述Y轴横梁两端固定设置在所述线性模组上，所述X轴横梁两端固定设置在所述Y轴横梁上的线性模组上，所述滑台滑动设置在所述X轴横梁上的线性模组上，多个所述线性模组分别通过第一电机驱动设置。
一些实施方式中，所述Z轴旋转组件包括安装架、内腔轴以及光通道，所述安装架套设在所述内腔轴外，所述安装架与所述内腔轴之间设有轴用轴承，所述内腔轴上开设有所述光通道。
一些实施方式中，所述安装架上固定设置第二电机，所述第二电机上转动设置传动轴，所述传动轴上固定设置主动齿轮，所述内腔轴外壁套设有从动齿轮，所述内腔轴通过所述从动齿轮与所述主动齿轮相互啮合设置转动设置在所述安装架中，所述传动轴另一端通过轴承座对应所述安装架内壁设置。
一些实施方式中，所述Y轴旋转组件采用与所述Z轴旋转组件相同的结构设置，所述Y轴旋转组件的安装架与所述Z轴旋转组件的内腔轴连接设置，所述送粉头连接设置在所述Y轴旋转组件的内腔轴上，且所述送粉头与所述Y轴旋转组件相互垂直设置。
一些实施方式中，所述Z轴旋转组件端部对应设有扩束镜，所述Z轴旋转组件中内腔轴的下端部设置有第一反射镜，所述第一反射镜向上倾斜135°设置，所述Y轴旋转组件的内腔轴未与所述Z轴旋转组件连接一端内设有第二反射镜，所述第二反射镜向下倾斜45°设置，所述送粉头内依次设置聚焦镜和保护镜。
一些实施方式中，所述底板上设有齿轮齿条组件，所述齿轮齿条组件上设有可绕X轴方向和Z轴方向转动的二维转台，所述二维转台通过所述齿轮齿条组件对应所述底板进行Y轴方向的移动设置。
一些实施方式中，所述运动机构上套设有气氛舱，所述气氛舱内采用循环洗气方式制造惰性气体环境，所述气氛舱内外压力差为5mbar。
一些实施方式中，所述气氛舱内保持惰性气体环境，启动第一电机，所述Y轴横梁通过所述立柱上的第一电机在所述立柱之间进行Z轴方向移动，所述X轴横梁通过Y轴横梁上的第一电机在所述Y轴横梁之间进行Y轴方向移动，所述激光加工头通过所述X轴横梁上的第一电机在所述X轴横梁上进行X轴方向移动，所述激光加工头进行同方向多轴同步进给运动，且所述送粉头通过Z轴旋转组件绕Z轴方向进行旋转运动，所述送粉头通过Y轴旋转组件绕Y轴方向进行旋转运动；
所述激光通过扩束镜进入到所述光通道并照射至所述第一反射镜，通过第一反射镜反射穿设过所述第二反射镜的所述内腔轴，直至照射至所述Y轴旋转组件中的第二反射镜，所述第二反射镜将照射过来的激光反射至所述送粉头，所述激光穿设过所述送粉头对所述工作台上的曲面金属零件进行加工，完成金属零件的成形。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过在底板上设置立柱、Y轴横梁和X轴横梁，激光加工组件能够在X轴横梁上进行X轴方向移动，X轴横梁在Y轴横梁之间进行Y轴方向移动，Y轴横梁在支柱之间进行Z轴方向移动，使得激光加工组件同方向多轴同步进给运动，且缩短运动传动链，增大可成形范围；
2、本发明通过在激光加工机构中设置Z轴旋转组件和Y轴旋转组件，送粉头自身可绕Z轴方向和Y轴方向做周向旋转运动，并协调配合二维转台完成高精度复杂曲面金属零件的成形，设备运动系统自由度高；
3、本发明通过在底板上固定设置四根立柱，并在四根立柱之间设置三根动横梁，使得运动机构内结构紧凑，具有舱容比高，惰性气氛环境形成时间少，加工成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明轻量化多自由度金属沉积增材装置的结构示意图；
图2为本发明激光加工机构的剖面示意图。
附图标记：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示为轻量化多自由度金属沉积增材装置的结构示意图，包括运动机构1、底板2以及激光加工机构9。运动机构1包括立柱4、Y轴横梁5以及X轴横梁8，多根立柱4固定设置在底板2上，Y轴横梁5沿Z轴方向移动设置在相邻立柱4之间。X轴横梁8沿Y轴方向移动设置在相互平行的Y轴横梁5之间，X轴横梁8上沿X轴方向滑动设置有滑台12。运动机构1上套设有气氛舱，所述气氛舱内采用循环洗气方式制造惰性气体环境，所述气氛舱内外压力差为5mbar。
如图2所示为激光加工机构的剖面示意图，激光加工机构9包括Z轴旋转组件91、Y轴旋转组件92以及送粉头301，Z轴旋转组件91一端设置在滑台12下方，且Z轴旋转组件91另一端带动Y轴旋转组件92绕Z轴方向周向旋转设置。送粉头301绕Y轴方向周向旋转设置在Y轴旋转组件92的端部，Z轴旋转组件91和Y轴旋转组件92中设有将激光折射至工作台11的反射镜。
底板2上转动设置工作台11，送粉头301配合工作台11转动设置。在本实施例中，底板2上设有齿轮齿条组件3，齿轮齿条组件3上侧安装风琴罩，防止粉末进入传动系统内，造成精度破坏。齿轮齿条组件3上设有可绕X轴方向和Z轴方向转动的二维转台10，二维转台10通过齿轮齿条组件3对应底板2进行Y轴方向的移动设置。
运动机构1采用动梁定柱龙门式运动机构结构设置，底板2上垂直固定有四根立柱4，四根立柱4相互平行设置在底板2的四个顶角上，Y轴横梁5设有两根，两根Y轴横梁5相互平行设置在相邻设置的立柱4之间。立柱4上设有线性模组，Y轴横梁5两端固定设置在线性模组上，X轴横梁8两端固定设置在Y轴横梁5上的线性模组上，滑台12滑动设置在X轴横梁8上的线性模组上，多个线性模组分别通过第一电机6驱动设置。在本实施例中，线性模组采用封闭式线性模组，防止粉末进入传动系统内，造成精度破坏。
Z轴旋转组件91包括安装架102、内腔轴107以及光通道109，安装架102套设在内腔轴107外，安装架102与内腔轴107之间设有轴用轴承108，内腔轴107上开设有光通道109。安装架102上固定设置第二电机101，第二电机101上转动设置传动轴103，传动轴103上固定设置主动齿轮104，内腔轴107外壁套设有从动齿轮106，内腔轴107通过从动齿轮106与主动齿轮104相互啮合设置转动设置在安装架102中，传动轴103另一端通过轴承座105对应安装架102内壁设置。
Y轴旋转组件92采用与Z轴旋转组件91相同的结构设置，Y轴旋转组件92的安装架102与Z轴旋转组件91的内腔轴107连接设置，送粉头301连接设置在Y轴旋转组件92的内腔轴107上，且送粉头301与Y轴旋转组件92相互垂直设置。
Z轴旋转组件91端部对应设有扩束镜201，Z轴旋转组件91中内腔轴107的下端部设置有第一反射镜202，第一反射镜202向上倾斜135°设置，Y轴旋转组件92的内腔轴107未与Z轴旋转组件91连接一端内设有第二反射镜203，第二反射镜203向下倾斜45°设置，送粉头301内依次设置聚焦镜204和保护镜205。
工作原理：运动机构1内保持惰性气体环境，启动第一电机6，Y轴横梁5通过立柱4上的第一电机6在立柱4上的之间进行Z轴方向移动，X轴横梁8通过Y轴横梁5上的第一电机6在Y轴横梁5之间进行Y轴方向移动，激光加工头通过X轴横梁8上的第一电机6在X轴横梁8上进行X轴方向移动，激光加工头进行同方向多轴同步进给运动，且送粉头301通过Z轴旋转组件91绕Z轴方向进行旋转运动，送粉头301通过Y轴旋转组件92绕Y轴方向进行旋转运动；
激光通过扩束镜201进入到光通道109并照射至第一反射镜202，通过第一反射镜202反射穿设过第二反射镜203的内腔轴107，直至照射至Y轴旋转组件92中的第二反射镜203，第二反射镜203将照射过来的激光反射至送粉头301，激光穿设过送粉头301对工作台11上的曲面金属零件进行加工，完成金属零件的成形。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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